三峡库区消落带岸坡岩体劣化特性测试及质量评价

杨 何，汤明高，许 强，霍宇翔，向育才，邓文锋

（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

1 研究背景

三峡工程是当今世界上最大的水利枢纽工程，三峡库区历来就是地质灾害隐患居多的区域。库水位的变化不仅造成库岸两侧坡体内渗流场发生变化，而且在库水位周期性升降作用下，岸坡岩体的物理力学性质也会逐步劣化[1-2]。严重时将引起岸坡的稳定性破坏，给人民生命财产造成重大损失。如三峡库区2003年湖北秭归县千将坪滑坡[3-4]、2008年巫峡龚家方崩塌[5]与巫山县水泥厂滑坡、2014年秭归县杉树槽滑坡[6-8]以及箭穿洞危岩体的变形、破坏均因库水位变动带（消落带）岩体的劣化所诱发[9]。因此岸坡岩体劣化的特征及其规律对水库岩质岸坡稳定性评价具有重要的意义。

岩体的劣化是指岩体在外部环境作用下出现破碎、疏松及矿物成分变化，物理力学性质弱化的现象。根据外作用的不同，可以分为风化劣化、干湿劣化、冻融劣化、卸荷劣化等[10-13]。本文主要研究在库水位周期性变化作用下的岩体劣化性。近十年，许多学者对这方面的岩体劣化性质进行了大量的研究。岩体的劣化一般通过力学性质的弱化来表达，常见的特性指标有单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角以及弹性模量等。傅晏[14]与刘新荣等[15-17]通过完整砂岩的室内干湿循环试验，揭示了砂岩的干湿循环劣化规律，得出砂岩在经历10个周期的干湿循环后，单轴抗压强度降低了52.62%；在酸性环境下，砂岩抗剪强度劣化最为严重，碱性次之，中性最轻。邓华锋等[18-21]在考虑水压力变化的情况下对砂岩的劣化性质研究得出相比于完整试样，损伤砂岩试样各项力学指标衰减得更快，浸泡时水压力变化幅度越大，循环次数越多，损伤效应越明显；砂岩在经历6个周期的干湿循环后，单轴抗压强度降低了36.37%。此外，其他一些学者也对粉砂岩、红层软岩、泥灰岩、板岩、大理岩、石膏质岩、泥质白云岩、蚀变岩等岩体在干湿循环条件下的劣化性质做了较多的室内研究，都表明劣化程度较大[22-27]。刘广宁等[9]运用单孔、跨孔声波测试方法对粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩进行原位测试，表明岩体横向完整性差，纵向完整性相对较好，且消落带内岩体随着高程的降低，其岩体完整性呈下降趋势；室内力学测试结果表明，20 次干-湿循环后其强度平均下降了77%～45%。

实际上，三峡水库运行过程复杂，岸坡岩体受多种因素的影响。以往对岩体劣化的研究，大多集中于室内试验，缺少现场的原位测试，所得到的岩体劣化性可能被高估，并且没有提出较完善的劣化质量评价方法。三峡库区在经历了11个完整的水文周期后，岸坡岩体呈现不同程度的劣化，库水位变动带本身就是一个非常好的天然试验场地，将消落带与高水位以上部位的岩体进行对比分析，可以很好地得到受库水位升降影响的岩体劣化特征。因此，本文首先对三峡库区两岸出露岩体进行详细的现场调查，在此基础上选取典型岩体进行原位地质雷达测试、回弹测试，以钻孔取芯及室内声波测试作为验证，分析不同岩体、不同部位劣化性的差异；最后提出了岩体劣化分级指标体系。

2 研究区概况

三峡库区位于四川盆地与长江中下游平原的结合部，是指受长江三峡工程淹没的地区，共涉及20个县区，干支流库岸总长约5456 km。2008年至今，水库水位在175 m 至145 m之间循环升降变化。库区内岩质岸坡约占整个库岸长度的70%，出露岸坡岩体的岩性主要为花岗岩、片麻岩、灰岩、白云岩、泥灰岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等。研究区位于著名的长江三峡境内，主要为碳酸盐岩组成的侵蚀中山峡谷区，西起重庆市的奉节县，东至湖北省的宜昌市，全长达205 km，涉及三峡库区内的瞿塘峡、巫峡、西陵峡以及大宁河内的小三峡等岸坡。现场测试区位于瞿塘峡出口附近。测试区内，两岸陡崖对峙，临江山顶高程600～1000 m，岸坡坡角平均45°～64°，枯水期水面宽150～250 m；基岩为二叠系、三叠系灰岩、泥灰岩、粉砂岩及泥岩。三峡库区地层岩性分布及劣化带示例见图1。

图1 三峡库区地层岩性分布及劣化带

3 研究方法

岩体的劣化不仅仅是呈现在表面上，更是深入岩体内部；库水位变化对岩体劣化的影响是在岩体风化的基础上进行的，因此对岩体表层与内部的研究及水上、水下岩体性质的对比研究是极为必要的。探地雷达法（Ground Penetrating Radar Method）是近年来一种新兴的地下探测、无损检测的新技术。它能探测岩体内部空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其原理是利用目标体及周围介质的电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测。回弹仪是一种简便、轻型、现场实用的仪器，岩石回弹值的大小反映了岩石强度的大小，并且岩石的回弹值具有综合反映野外天然岩石质量、各向异性、风化程度、含水情况等优点。钻孔取芯能够直接观察到岩体内部的完整或破碎程度，室内声波测试可对岩芯劣化程度及界限作细致区分，然而钻孔取芯在高陡岸坡上施工难度相当大，仅作辅助。因此，本文直接应用回弹仪测得的岩石回弹值与雷达波形对岩体表层及深部的劣化进行分析[28-29]，同时辅以钻孔取芯及室内声波测试作为验证。

3.1 岩体现场探地雷达测试结合现场探测精度深度，本次测试采用瑞典MALA ProEx 型探地雷达，天线选用800 MHz 屏蔽天线，分别对库区的泥质粉砂岩、泥灰岩、灰岩进行雷达扫描，具体测线布置见图2。

图2 地质雷达测线布置

三种岩体的测试方案如下：

（1）泥质粉砂岩体的测试区位于巫山枣子树包滑坡右侧，岩层产状为162°∠40°，测线布置在出露的岩层表面。在水位变动带进行网格测试，在x、y方向各布置11 条测线，间距分别为0.5 m和1.0 m。为查看岩体边缘的劣化性，在水位变动带岩体边缘布置了4 条测线，间距0.5 m。为查看高水位以上部位与水位变动带之间劣化性的不同，在高水位以上部位布置了3 条测线作对比，间距0.5 m。

（2）泥灰岩体的测试区位于泥质粉砂岩测试区上游100 m 位置，岩层产状为175°∠44°，测线布置在出露的岩层表面。在水位变动带进行网格测试，x方向布置7 条测线，间距0.5 m；y方向布置9 条测线，间距1.0 m。为查看高水位以上部位与水位变动带之间劣化性的不同，在高水位以上部位布置了3 条测线作为对比，间距0.5 m。

（3）灰岩体的测试区位于瞿塘峡内，产状为170°∠75°，测线布置在出露的岩层表面。在水位变动带上进行单向测试，x方向布置4 条测线，间距0.5 m。同理，在高水位以上部位布置了3 条测线作为对比，间距0.5 m。

3.2 岩体现场回弹测试本测试采用的回弹仪型号为ZC3-A 型，其冲击动能为2.207J。测试方案为在现场每种岩体的高水位以上部位与库水位变动带上各选取3个测区，每个测区面积不大于0.4 cm2。弹击方法为单个测区内弹击16个点，相邻两测点的净距不小于20 mm。回弹仪测试前需首先进行率定；测试过程中，回弹仪的轴线应始终垂直于岩体表面。回弹值计算时不考虑角度修正，去除3个最大值、3个最小值后取平均值作为该测区岩体的回弹值。

3.3 钻孔及室内声波测试为了查明岩体劣化的准确深度，在地质雷达测试区进行多个现场钻孔取芯作业，通过芯样判断其劣化深度及程度，完整的岩芯带回室内做声波测试。对每一个长度在5 cm以上的完整岩芯，从头部开始每约5 cm 切割一段，记录每一段的波速。每一种岩体在高水位以上及水位变动带至少保证各3个钻孔，通过波速的不同判断劣化深度。

4 研究结果

4.1 泥质粉砂岩的试验结果（1）现场地质雷达测试结果。泥质粉砂岩地质雷达数据较多，由于篇幅限制，选取其中一部分进行展示，见图3。由图3（a）可知，在测线x1 的左侧0～3.0 m 区域，电磁波反射信号幅值较大，绕射信号明显，信号呈网格状信号；右侧部位电磁波反射信号幅值较弱，波形均匀，能量正常衰减，局部存在针状信号。由此表明，测线x1 左侧岩体比右侧较破碎松散，其内部细微裂隙发育。根据图3（b）可知，在测线x11的右侧部位，电磁波反射信号幅值较强，绕射信号明显，呈网格状信号。由此表明，测线x11 右侧岩体比左侧较破碎松散，其内部裂隙更发育，其原因在于x11 测线右侧表层有节理穿过。根据图3（c）（d）可知，测线上部与下部相比，电磁波反射信号幅值较强，下部电磁能量正常衰减，局部存在板状信号。另外，从x1与x11 测线比较可知，x1 测线电磁波穿透更强，第一排波形变化幅度更大，x1 测线附近岩体表层凹凸不平。由此表明，测区上部岩体相比下部岩体较破碎松散。其原因为在175 m 水位附近较长时间存在上下的反复波动。图3（e）与其他相比，电磁波反射信号幅值较弱，波形均匀，电磁波穿透更强，表明高水位以上部位的岩体相比水位变动带的岩体较密实。根据图3（f）可知，整个x4 测线电磁波反射信号幅值较强，大量网状结构充斥其中，并且绕射波、多次波众多，呈区域化分布；只是在中间能量较为均匀。其原因在于该测线位于整个岩面的边缘部位，而且三面临水，尤其两侧的层间涉水，水更容易从层间进入岩体内部，从而对岩体造成的劣化更强。

通过三维视图及以上分析，可以得出水位变动带岩体比高水位以上部位岩体劣化要强，水位变动带高程175 m 附近部位比高程169 m 附近部位的岩体劣化要强，岩体层间劣化比层面劣化要强，表面有节理裂缝其周围部位劣化要强。根据波形初步判定，目前泥质粉砂岩劣化深度在50～150 cm。

图3 泥质粉砂岩的地质雷达测试结果

（2）现场回弹强度。由图4可知，高水位以上部位表层的回弹强度平均值为27.53 MPa，库水位变动带的泥质粉砂岩表层回弹强度平均值为19.73 MPa。可见在经历11个库水位升降周期后，库水位变动带的泥质粉砂岩相比不受库水位影响的泥质粉砂岩，其表层强度降低28.33%，年平均降低率约为2.58%。

图4 泥质粉砂岩的强度回弹值

（3）钻孔及室内声波测试结果。由于钻孔较多，本文展示其中3个孔的岩芯图片，见图5。从图5可看出，高水位以上的岩芯较完整新鲜；水位变动带的岩芯破碎松散，图5（b）在孔深48 cm 处出现完整岩芯；图5（c）在端部有18 cm 长的完整岩芯，为表层的泥灰岩，而在孔深103 cm 处仍未见完整岩芯，且岩样更为破碎、含水量更高。图5（c）相比图5（b）劣化程度更高，这是因为c 孔位于测试区边缘，受库水影响更大的原因，这与上节地质雷达测试结果一致。取a 孔与b 孔中的泥质粉砂岩的声波测试结果进行对比，见表1。两个部位的岩芯都是随着孔深的增加波速增大，在高水位以上部位取得的岩芯波速较大，远大于水位变动带前3 段的岩芯波速。根据波速判断泥质粉砂岩层面的劣化深度可达70 cm，由表面到内部的劣化是一个渐变的过程。

图5 三种岩性的岩芯照片

4.2 泥灰岩的试验结果

（1）现场地质雷达测试结果。泥灰岩地质雷达数据较多，由于篇幅限制，选取其中一部分进行展示，见图6。

根据图6（a）（b）对比可知，测线x1 电磁波穿透正常衰减，测线x7 表层多见绕射波，电磁波衰减较快，表现为网格状信号特征，多次波分布区域也较大，表明x7 测线比x1 测线劣化要强。同理，可见测线y1与y9的上部劣化程度更强，测线终段比起始段劣化要强；并且y1 比y9 劣化程度要强，其原因为在测线y1右侧1.0 m 位置表层存在一条小裂隙，水侵入通道更多。同理，根据图6（e）可见高水位以上部位电磁波同相轴连续性较强。根据波形初步判定，目前泥灰岩劣化深度在30～50 cm。

表1 泥质粉砂岩岩芯的波速

（2）现场回弹强度。由图7可知，高水位以上部位表层的回弹强度平均值为34.37 MPa，库水位变动带的泥灰岩表层回弹强度平均值为29.17 MPa。可见在经历11个库水位升降周期后，库水位变动带的泥灰岩相比不受库水位影响的泥灰岩，其表层强度降低15.13%，年平均降低率约为1.38%。

（3）钻孔及室内声波测试结果。从图5可看出，高水位以上的岩芯较完整新鲜；水位变动带的岩芯破碎。图6（d）在端部10 mm 处即出现完整岩芯；图6（e）在端部22 cm 处出现完整岩芯。由岩芯波速表2可见，两个部位岩芯的波速都是随着孔深的增加而增大，水位变动带岩芯波速比高水位以上部位的岩芯波速小得多。根据波速比较可以推断层面临水的泥灰岩其劣化深度约可达44 cm。

图6 泥灰岩的地质雷达测试结果

图7 泥灰岩的强度回弹值

表2 泥灰岩岩芯的波速

4.3 灰岩的试验结果

（1）现场地质雷达测试结果。灰岩地质雷达数据较多，由于篇幅限制，选取其中一部分进行展示，见图8。

图8 灰岩的地质雷达测试结果

根据图8（a）（b）与图8（c）对比可知，电磁波反射信号幅值较强，呈典型的孤立体相位特征，为非规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，而且同相轴断开呈尖波状。由此表明，水位变动带相比高水位部位岩体内部溶蚀孔洞在数量与尺寸上更为发育，岩体内部可能存在顺层裂隙。劣化仅出现在表部节理附近，呈针状、板状结构信号，深度总体上较浅。但从上向下可见能量吸收增强，多次波、绕射波增多，水位变动带岩体劣化比高水位以上部位要强；同样在岩体层间临水面电磁波反射呈板状信号。由此表明层间劣化比层面更强。根据波形初步判定灰岩劣化深度在10 cm 左右。

（2）现场回弹强度。由图9可知，高水位以上部位表层的回弹强度平均值61.33 MPa，库水位变动带的灰岩表层回弹强度平均值为53.4 MPa。可见在经历11个库水位升降周期后，库水位变动带的灰岩相比不受库水位影响的灰岩，其表层强度降低12.93%，年平均降低率约为1.18%。

图9 灰岩的强度回弹值

（3）钻孔及室内声波测试结果。从图5可看出，高水位以上部位的岩芯完整新鲜；水位变动带的岩芯有2 条原生缝隙将岩样切断，裂隙内无充填。根据声波测试结果表3进行对比分析，水位变动带的岩芯波速随着孔深的增加而增大，在高水位以上部位取得的岩芯波速在6000 m/s 左右，水位变动带前2 段的岩芯波速均远小于6000 m/s。根据波速比较可以推断层面临水的泥灰岩其劣化深度大约12 cm。

表3 灰岩岩芯的波速

5 讨论

5.1 岩体劣化的模式根据对三峡库区瞿塘峡、巫峡、西陵峡以及小三峡区域内岸坡的库水位变动带岩体进行现场调查，根据岩性，岩体层面与库水的位置关系可将库区岩体劣化模式分类总结如下。

图10 岩体劣化模式的现场照片

溶蚀塌落型：指含碳酸盐的岩石经过长期岩溶作用在其内部形成大量溶蚀孔洞或裂缝，在库水位升降过程中溶蚀作用加强而造成塌陷；产生该现象的岩体以泥灰岩、灰岩为主（图10（a））。层面龟裂型：指岩体层面临水，受库水位升降引起的干湿循环作用、热胀冷缩作用造成层面发生规则或不规则的裂缝，将岩体表面切割成大小不一的块状；产生该现象的岩体以泥灰岩、灰岩、砂岩为主（图10（b））。层间碎裂型：指岩体层面临水，受库水位升降引起的干湿循环作用、热胀冷缩作用造成层间面发生大量纵横向的裂缝，将岩体表面切割成众多的小碎块形成“积木状”，岩体呈碎裂状，岩块在自然营力作用下不断脱落；产生该现象的岩体以泥灰岩、灰岩为主，砂岩次之（图10（c））。侵蚀剥落型：指岩体主要受水化学作用影响，在库水位升降引起的干湿循环、热胀冷缩等作用的共同影响下造成其内部矿物质溶解流失，出现大量微小裂隙，结构发生松散，岩性变软，强度变低，发生片状或颗粒状剥落；产生该现象的岩体以泥岩、粉砂岩以及含泥量大的泥灰岩为主（图10（d））。

5.2 不同岩体劣化特征的对比分析根据上述分析可知，三种岩性的劣化特征有所不同。泥质粉砂岩劣化性最强，泥灰岩次之，灰岩最弱，由此可以推断岩体劣化性与岩体强度有关，劣化性随着岩体强度的增加而减弱。岩体劣化性与岩层临水类型及有无裂隙有关，劣化性由强到弱排序为裂隙岩体强于层间临水的岩体强于层面临水的岩体。根据现场岩体的回弹强度可知，在经过11个水文周期后泥质粉砂岩强度损失为0.2833，泥灰岩强度损失为0.1513，灰岩的强度损失为0.1293。这几个强度损失值比某些学者室内劣化试验所得到的强度损失要小[9，14-25]。主要原因在于室内劣化试验都没有考虑岩体所处的应力状态，在受到围压作用时岩体的劣化会减弱减慢很多。这一问题将在后续的工作中作进一步的研究。黄波林等[30]采用无损探测的超声波仪与回弹仪对裂隙灰岩、较完整灰岩进行了表层岩体质量劣化测试，得到裂隙灰岩的声波数据每个循环下降率为5.36%，回弹值每个循环下降率为3.59%，而较完整灰岩的回弹值每个循环下降率为0.83%。而本文得到的泥灰岩回弹值年下降率为1.38%，灰岩回弹值的年下降率为1.18%，灰岩室内声波数据年下降率为0.74%，在量值上与其较完整灰岩结果较接近。根据钻孔岩芯与室内声波数据可见，表层岩体劣化程度强于深部岩体，随深度的增加劣化程度逐渐减弱，岩体内部裂隙将加速其劣化。

5.3 岩体劣化质量评价常规的岩体质量评价方法有RQD分类法、Q系统分类法、RMR分类法以及BQ法等[31]。本文参照岩体质量评价提出适合岩体劣化的质量评价方法，主要针对岩体劣化性分类及劣化程度进行快速评价。因此，按照岩体劣化的特征，参照本文的试验方法及获得的数据，采用定性与定量相结合，将劣化性分为3 类，劣化程度分为5 级，见下表4、表5。在劣化性分类中以岩石坚硬程度与能与水反应的矿物含量两个为主要指标，以岩体完整程度、渗透性以及外部环境的库水升降幅度、干湿交替程度、酸碱度为辅助指标。在劣化程度的分级评价中比常规岩体质量评价增加考虑了强度劣化值、雷达波形、劣化深度3个劣化指标。

表4 岩体的劣化性分类

表5 岩体劣化程度的质量分级评价表

现场岩体质量劣化评价首先进行不同劣化型式下的岩体完整程度调查，结合回弹强度值进行初步判断；进一步采取探地雷达、波速比测试进行劣化深度评价。在此基础上建立考虑岩体劣化的地质模型和计算模型，可采用极限平衡分析方法进行稳定性评价。根据上表对本次测试区的岩体进行劣化质量评价，库水位变动带主测区的泥质粉砂岩处于中劣化状态，边缘部分处于强劣化状态；泥灰岩处于弱劣化状态；灰岩处于弱劣化状态。

5.4 劣化机理特殊性分析岩体劣化机理的研究较多，可以归纳为物理作用、化学作用、力学作用。其中，物理作用主要包括润滑、软化、泥化、干湿、冻融、冲击淘刷等过程；化学作用主要包括溶解、水解、水化、酸化、氧化、钙化等过程；力学作用主要包括产生静水压力、动水压力、流固耦合等过程[32-35]。

（1）水的物理、化学、力学作用对岩体的劣化通常不是单一出现，而是相互影响，相互促进的过程。然而，不同岩体受3种作用的影响程度不同。含泥质的软岩受化学作用的影响最大，其内部胶结程度较低的矿物颗粒逐渐析出变形；而硬岩受物理作用的影响最大，以裂隙扩展破坏为主。

（2）在库水位周期性升降作用下，因力学作用的变化，岩体的劣化机理也有其特殊性。库水位上升时，水压力升高，内部裂隙扩展，水向岩体深部渗流、扩散，这扩大岩体劣化面积，同时加速了化学作用。库水位下降时，由于渗流的滞后性会产生动水压力，可以使内部的溶蚀物质及裂缝中的嵌填物更容易随水流出，从而为水岩作用提供了更有利的条件，为物理、化学作用提供更多的反应通道。灰岩在库水位升降过程中一般认为不会出现劣化现象，国内外有关灰岩劣化的研究也很少。然而，根据现场调查及地质雷达数据，瞿塘峡的灰岩表层及内部裂隙较多，与高水位以上部位的灰岩存在不同；现场回弹试验也表明受库水影响灰岩强度有所降低。可见，灰岩在库水位升降作用下是存在劣化性的。分析其原因的不同之处主要为，原生裂隙内充填有大量方解石形成的胶结物，方解石遇水会不断溶蚀，从而使裂隙重生。另外，峡区内昼夜温差较大，热胀冷缩作用与短期内连续的干湿循环作用也会使灰岩体表面产生大量细微裂隙。因而造成灰岩岸坡岩体表层裂隙纵横交错，以致形成块状或碎裂状的岩体。

（3）反复的库水位升降作用导致的干湿循环次数及频率的增加都将加速岩体的劣化效应。根据三峡水库运行数据，在一个水文周期内，库水位在175～172 m与145～150 m之间两个阶段存在多次的连续的反复波动，因此造成该高程段的岩体的劣化性要强于其他部分。这可以从泥质粉砂岩的地质雷达测试结果得到很好的印证。然而，刘广宁等[9]认为在消落带内岩体随高程的降低，其完整性呈下降趋势，与此有所不同。分析其原因主要在对岩体完整性指数计算时采用的岩块波速值不同所致。

6 结论

本文根据三峡库区现场调查对岩体劣化模式进行了分类，采用地质雷达、现场回弹仪对库区几个典型岸坡岩体的劣化性进行了测试，以钻孔取芯与室内声波测试进行验证，得到如下结论。

（1）三峡库区岸坡岩体劣化模式可分为溶蚀塌落型，层面龟裂型，层间碎裂型，侵蚀剥落型4 类。

（2）岩体劣化性与岩体强度有关，劣化性随着岩体强度的增加而减弱。岩体劣化性与岩层临水类型及有无裂隙有关，劣化性由强到弱排序为裂隙岩体强于层间临水的岩体强于层面临水的岩体。在经过11个水文周期后泥质粉砂岩强度损失率为0.2833，其劣化深度可达50～150 cm；泥灰岩强度损失率为0.1513，其劣化深度可达30～44 cm；灰岩的强度损失率为0.1293，其劣化深度可达10～12 cm。

（3）库水位反复地升降引起干湿循环次数及频率增加将加速岩体的劣化效应，因而消落带内长期波动部位其岩体劣化程度最高。

本文建立的岩体劣化分类方法充分考虑了库水位升降的外部环境以及其岩体本身的矿物含量与渗透性，增加了三个特有的岩体劣化评价指标，相比常规手段具有方便快捷经济的特点，采用本方法评价现场岩体的劣化性更符合现场实际情况。